基于点云技术的乡村景观遗产空间信息记录与可视化方法研究

杨晨 韩锋刘春

1 乡村景观遗产面临的挑战与机遇

“乡村”作为一种地域概念，泛指城市化地区和原始无人区以外的一切区域[1]。其中一些形成于传统农耕时代、充分依托自然环境并具有一定历史文化积累的乡村是宝贵的文化遗产。它们蕴含着丰富的生态智慧、土地利用方法、农业技术和乡土文化，不仅具有重要历史价值，也对当代人居环境建设具有突出借鉴意义。然而，作为一种持续演进的景观，大部分乡村仍处于不断发展变化之中[2]。城镇化扩张、乡村社会结构变迁、农业现代化和蓬勃发展的乡村旅游造成了乡村景观空间的快速变化。据相关统计，中国每年消失的自然村落达90 000个[3]，其中包含大量乡村景观遗产。因此，迫切需要从遗产保护出发，构建系统高效的空间信息记录方法来应对快速的变化。

点云技术为乡村景观遗产的保护带来了重要机遇。点云（Point Cloud）是指在同一空间参考系下表达目标空间分布和表面特性的海量点的集合，每个点包含对象的三维空间坐标信息。点云技术即是采集、处理和可视化点云数据的一系列技术的集合。与传统手工测量相比，点云技术具有获取速度更快、测绘覆盖面积更广、数据精度更高、表达更加直观等优势，在乡村景观遗产的研究和保护中拥有巨大潜力。随着点云技术的快速发展，其理论和应用是风景园林学科和空间信息学科在文化遗产领域的重要交叉方向。因此，相应的原理和方法都亟待展开前瞻性研究。

1 鲍家屯乡村景观遗产要素Rural landscape heritage elements of Bao’s Village

2 国内外乡村景观遗产空间模式定量化研究进展

空间模式（Spatial Pattern）是指景观内部各种要素之间特定的空间组合方式，其本质是一种解决景观空间问题的方法论[4]。对乡村景观来说，空间模式形成和发展于特定时期，受到自然条件、生产力水平、地方文化等因素的影响，是人类活动和自然环境相互作用的见证。因此，空间模式是乡村景观遗产价值的重要载体，是遗产真实性、完整性保护的焦点。近年来，国内外大量研究将目光集中到如何记录和评价乡村景观的空间模式以识别其遗产价值，保护景观的多样性。在国际上，许多学者通过分析地表覆盖地图（Land Cover Map）来识别乡村景观的空间模式[5-7]，利用不同时期的航天或航空影像序列来发现景观的空间变化[8-9]，并利用二维地图和地理信息系统数据库（GIS）来监测和规划乡村景观[10-12]，形成了一系列理论和技术成果；中国学者利用航天遥感影像和GIS技术分析乡村景观的形态演变[13]，从土地利用出发研究传统乡村景观空间的破碎化[14]，从生态学角度利用GIS技术研究乡村景观的特色和空间分异等[15-16]。综合看来，大多数研究仍旧基于传统测绘技术和空间表达工具，信息采集周期长、成本高，难以应对乡村景观的快速变化；三维空间信息并未得到充分利用，无法充分反映乡村景观的空间特征。因此，在相关研究中引入点云技术十分必要。

在国际文化遗产领域，点云技术已经逐步替代传统手动测量和立体摄影测量成为遗产地空间信息记录的重要手段之一。激光雷达技术（Light Detection and Ranging，简称LiDAR）和数字近景摄影测量技术（Digital Close-Range Photogrammetry）是点云技术的代表。激光雷达是一种主动遥感技术，利用激光脉冲测量地物，通过计算发射与接收脉冲反射的时间采集地物的空间信息[17]。该技术自20世纪80年代以来用于采集地形数据，之后被广泛应用到考古、地貌、森林等环境的监测。数字近景摄影测量技术是国际测绘领域的一项高新技术，通过多个视角获取地物影像，并通过对影像的数字化分析获取地物的三维空间信息模型。依托快速发展的无人机技术、空间信息处理技术以及虚拟现实技术，激光雷达和数字近景摄影测量已广泛应用于考古遗址和建筑类遗产研究[18-21]。但是，这些前沿技术成果并未在景观领域得到充分应用。本文作者针对乡村景观遗产，以空间模式识别为导向，构建了一种多尺度的空间信息采集与可视化方法。

3 贵州安顺鲍家屯乡村景观空间信息数字化采集实验

选取贵州安顺鲍家屯明代古村落进行景观空间信息数字化采集实验。鲍家屯位于贵州省安顺市西秀区大西桥镇，始建于14世纪，是明代“调北征南”军事行动下汉族移民在贵州建设的屯堡之一。现存古村落面积约3.8km2，包括周围的喀斯特地貌环境、屯堡村落、明代古水利工程、水口园林以及风水墓园等要素（图1）。2010年，鲍家屯村被列入中国历史文化名村。建村600余年以来，鲍家屯从未遭受过重大的洪涝和干旱灾害，人丁兴旺、风调雨顺，充分显示了汉族传统村落的营建智慧。

研究首先对鲍家屯古村落的遗产价值进行深度挖掘，梳理出山水环境、传统村落和乡村建筑3个尺度下的典型空间模式；其次，结合各个尺度的空间特征和景观要素特点，集成应用了不同点云技术进行空间信息采集和分析；最后对分析结果进行可视化，用以表现乡村景观的空间特征。通过案例研究，归纳总结出了一套基于点云技术的乡村景观遗产空间信息记录与可视化方法。

3.1 鲍家屯山水环境尺度的空间信息采集与可视化

与自然环境高度协调是乡村景观遗产最为突出的空间特征之一。从实用角度看来，充足的水源、良好的日照、一定的防御功能以及足够的可耕地等条件是理想聚居环境的必要因素；在精神层面，“背山面水”“负阴抱阳”是传统堪舆风水学说中倡导的理想格局。鲍家屯选址于贵州喀斯特高原山区的平原地带，整个村落负阴抱阳、南高北低。北靠神仙山（后园坡），面向平坝，坝上有自然河道流过，并在明代修建了水利灌溉设施。村落南部多个喀斯特锥峰有机排开，形成连续的天然屏障（图1）。这些山体连同村前的河道被当地人称为“外八卦”，并有报道称“八卦古村640年未遭战争毁灭”。虽然相关学者已证实该说法更多地是为了旅游宣传，缺少历史考证[22]，但鲍家屯古村落与周围山水格局的高度契合是毋庸置疑的。

要充分记录鲍家屯山水环境尺度下的空间模式，一方面数据采集需要有较大的覆盖范围，从而涵盖各类景观要素；另一方面，该尺度包含多个喀斯特锥峰，竖向变化丰富，采集三维空间信息尤为重要。本文作者采用了无人机近景摄影测量技术，利用六轴多旋翼无人机搭载正射相机，共设计5条航线覆盖所有乡村景观要素（表1）。后期通过影像处理与点云配准软件完成数据处理，生成鲍家屯山水环境尺度三维点云模型（图2）。该模型点云精度控制在1m以内，细节刻画程度能够满足该尺度下景观空间模式记录的要求。

通过对点云模型的分析和可视化处理，能够直观展示山水环境尺度典型的空间模式：1）“文峰玉案，森然排列”—村落南面由垭口山、大青山、黄山、大菁山构成连绵不断的天然屏障，具有一定的防御功能（图2，A-A剖面）；2）西北部神仙山作为整个村落的“靠山”，其高度与古村落的深度比值约为1∶6，实现了视线遮挡和控制，这一格局俗称“神仙撒网”（图2，A-A剖面）；3）古村落南面的主入口朝向南部由大菁山（象山）和黄山（狮山）形成的山口，山口处亦是河道流出村落的水口方位，而小青山（螺星山）恰恰位于两山之间，形成了“狮象把门，螺星塞水”的理想风水格局（图2，B-B剖面）。

3.2 鲍家屯传统村落尺度的空间信息采集与可视化

受自然条件、气候条件、内部社会关系和生活方式等因素的影响，乡村景观在村落尺度的空间组织方式各具特色，具有重要遗产价值。鲍家屯最早作为军屯建设，是军士居住的社区，因此古村落中布局了中轴线作为指挥中军的营房，体现了“居中为大”的思想。中轴线两侧布局了平行的巷道，作为军士集中的通道[22]。明代随着屯军家属的迁入，鲍家屯的居住功能增强，中军营房演变成各种祠堂寺庙，中轴线逐渐演化成精神信仰中心，是一处汇集儒、道、释为一体的公共神圣空间[22]，两侧的巷道变得蜿蜒曲折。

古村落的空间范围约为0.5km2，对数据采集精度提出了更高的要求，从而记录更丰富的空间细节，例如巷道结构、公共场地边界、建筑物高度等。因此在该尺度上采用无人机倾斜摄影测量和地面激光雷达技术相互结合的方法（表1）：一方面利用六轴多旋翼无人机搭载倾斜摄影相机采集古村落的影像，后期对影像进行数据处理和点云计算，生成村落尺度的三维点云模型；另一方面利用地面激光扫描仪采集古村落中轴线更高精度的空间信息，通过数据处理生成村落尺度三维点云模型（表1，图4）。

通过点云模型高程分析和可视化，可以快速观测古村落的空间结构（图3）：点云模型直观地反映了鲍家屯古村落“居中为大”的中轴线布局以及“一条枪串联天井院落”的鱼骨式空间结构（图3）。激光点云模型平面图可以清晰地表现中轴线的三段式结构，立面图直观表现三级台地的竖向高差以及中轴线与支路之间的空间关系（图4）。该尺度点云模型达到厘米级精度，能够精确量测古村落的空间特征，为历史空间格局的保护提供科学依据。

2 鲍家屯山水格局尺度三维点云模型及空间尺度量测3D point cloud model of Bao’s Village at the environmental scale and spatial scale measurement

3 鲍家屯古村落三维点云高程分析及平面提取Elevation analysis and plan extraction of Bao’s Village based on 3D point cloud model

3.3 鲍家屯乡村建筑尺度空间信息采集与可视化

建筑尺度的空间特征也是文化信息和生态智慧的重要载体。选取鲍家屯水碾房进行空间信息采集与可视化方法研究：水碾房是鲍家屯传统生态智慧的代表，明代鲍氏先人为了拦水灌溉和溢流泄洪，采用“鱼嘴分流”的方式把流经屯前的河道一分为二，并建造了6座拦水坝和5条引水渠。每个拦水坝旁边都有水碾房，利用水能碾米磨面。目前保存较好的一座水碾房位于新河边（图1），该建筑为木制穿斗结构，鱼鳞石板瓦屋顶，石砌地面。地上堂屋一间，东西各一次间，屋内石磨一块，通过传动轴与地下涵洞中的水车相连（图5）。当水流从水碾房北面的小河往南面低处跌落时，会利用水坝落差冲击建筑底部的水车，带动石磨工作，是一处节能、低碳、环保的水利设施。

水碾房的建筑结构复杂、空间细节丰富，包含许多难以进入的地下和水下空间，很难利用传统的测绘方法进行记录。本研究采用地面激光扫描仪，整个数据采集分为外围院落、建筑单体和地下空间3个部分进行，后期对点云进行计算、手动配准、拼接可视化，生成了厘米精度的建筑平面和剖面图，可以直观地展示水碾房的空间特征和工作原理（表1，图5）。在实际保护工作中，通过采集不同时间段的空间信息，可以实现对水碾房建筑结构和空间特征的科学监测。

通过研究证明，点云技术可以快速高效地记录和表达乡村景观遗产不同尺度的空间信息，并进行定量化的测量和分析。相较于传统人工测绘，该方法的效率和成果精度大大提高。以往需要数周甚至几个月的工作，利用该方法可以在几天内完成（表1），对于快速变化、消失的乡村景观具有较高应用价值。此外，利用点云模型可以直接对乡村景观空间模式进行可视化，无需人工建模，在一定程度上节约了保护成本。整个采集过程中，测绘仪器并不接触被测对象，对于乡村景观中较为脆弱的要素来说更加安全可靠。

点云技术为乡村景观遗产空间模式研究带来了新的视角和工具。利用点云技术辅助乡村景观遗产空间信息采集与可视化包含4个步骤：1）遗产景观研究：梳理乡村景观的遗产价值、景观特征、空间范围、构成要素等，为空间模式研究提供依据。2）数据采集：根据不同的空间尺度、空间特征和可达性等因素，选取适当的方法、技术和设备采集空间信息。从鲍家屯案例来看，乡村景观的尺度多样、要素丰富，需要多种设备协同工作。3）数据处理：通过图像处理和点云处理软件构建空间模型。为了满足特殊的精度、范围和表达的要求，需要对点云模型进行手动配准、切割和拼接。4）实践应用：根据不同应用需求对空间模型进行再开发，例如空间环境的平面、立面和剖面图的提取，以及虚拟现实、增强现实环境的开发设计等。该方法中，对遗产景观价值和空间模式的认知始终指导数据的采集和处理，数据成果进一步验证和深化对遗产景观的理解（图6）。

4 鲍家屯古村落中轴线激光点云模型Point cloud model of the main axis of Bao’s Village

5 鲍家屯水碾房激光点云模型可视化Visualising point cloud model of the water mill in Bao’s Village

4 结语

通过构建一套基于点云技术的乡村景观遗产空间信息采集与可视化方法，包括空间信息采集和处理的工作方法和技术参数，对于乡村景观遗产的研究和保护具有重要的理论和现实意义：1）空间模式的定量化研究有助于探明乡村景观遗产特征的本质和价值的核心。点云技术能够快速直观地构建三维景观模型，并进行各种类型的空间分析和可视化，为相关研究提供了全新的视角和工具，有利于进一步揭示景观特征形成的内在机理，深化对遗产价值的理解。2）点云空间信息是乡村景观遗产保护和管理的重要依据。新的方法和技术可以更加全面、科学、高效地记录乡村景观遗产的空间信息，有效应对当前乡村景观快速变化带来的遗产保护危机，有助于填补中国乡村景观基础数据的缺口。3）新的方法可以定量化地转译传统聚居环境营造智慧，为当代风景园林规划设计提供重要借鉴。中国被国际风景园林学界公认为景观文明成就最高的国家之一。乡村景观蕴含的山水文化和生态智慧对当代风景园林规划设计和人居环境建设具有重要参考价值。新的方法有望改变遗产信息长期以来“只可意会不可言传”的状态，定量化解译中国传统景观的智慧，更好地发挥遗产价值。

6 基于点云技术的乡村景观遗产空间信息记录与可视化技术路径与方法Technology workflow and methods for recording and visualising spatial information of rural landscape heritage based on point cloud technology

致谢：

感谢贵州省安顺市旅游局、贵州省安顺市住房和城乡建设局在本项目中提供的现场支持；感谢上海同繁勘测工程科技有限公司、上海寰鹰航空科技有限公司，上海埃弗艾数字科技有限公司在本项目中提供的技术支持。

注释：

本文图1中照片由吴忠贤拍摄，其余图表均由作者拍摄或绘制。